参与钾离子信号转导的玉米ZmCIPK9基因功能研究

钾离子在植物生长发育过程中起着重要的作用。植物细胞依靠细胞膜上的各种高亲和性钾转运体及K+通道蛋白吸收和转运钾离子。已有研究表明蛋白激酶CIPK能够磷酸化并激活钾离子通道从而介导钾离子的运输。本课题组前期研究发现玉米ZmCIPK9基因能够完全恢复拟南芥Atcipk23突变体对低钾敏感的表型。因此初步认为ZmCIPK9参与钾离子信号转导。此外，已通过酵母双杂实验发现ZmCIPK9能与3个玉米CBL基因互作；已筛选得到ZmCIPK9的Mu插入玉米突变体。本项目拟在此基础之上，应用双分子荧光互补等实验在植物体内外进一步确证ZmCIPK9与CBL基因的互作；研究其激酶磷酸化特性及可能的下游基因；通过玉米突变体及转基因玉米等实验进一步研究ZmCIPK9在玉米中的功能。本研究结果将为进一步解析ZmCIPK9如何参与植物钾离子信号转导提供分子证据，以期为培育高效抗低钾的玉米新品种提供新的途径和理论依据。

钾离子在植物生长发育过程中起着很重要的作用。已有研究表明蛋白激酶CIPK 能够磷酸化并激活钾离子通道从而介导钾离子的运输。本课题组前期研究发现玉米ZmCIPK9 基因能够恢复拟南芥Atcipk23 突变体对低钾敏感的表型。此外，酵母双杂实验发现ZmCIPK9 能与ZmCBL1、ZmCBL4和ZmCBL9互作，并且已筛选得到ZmCIPK9的Mu 插入玉米突变体。在此基础上，我们对ZmCIPK9的功能进行了更进一步的研究。Real-time PCR证明ZmCIPK9在玉米的各个组织中均有表达，但是在雌穗中的表达量最高。ZmCIPK9明显受低钾、脱水、高盐、低温、高温及ABA诱导。亚细胞定位实验表明ZmCIPK9在细胞核、细胞膜及细胞质均有表达而ZmCBL1、ZmCBL4和ZmCBL9定位在细胞膜上。BiFc实验表明ZmCIPK9与ZmCBL1、ZmCBL4以及ZmCBL9在植物细胞体内互作并定位于细胞的质膜上。另外，ZmCIPK9可以与AtCBL1 及AtCBL9互作，这说明ZmCIPK9在拟南芥Atcipk23突变体中可以替代或者部分替代AtCIPK23，通过与AtCBL1和AtCBL9互作参与到钾离子信号转导通路中。另外，ZmCIPK9在Atcipk23突变体中过表达提高了Atcipk23突变体内的钾离子含量并提高了Atcipk23突变体的钾离子吸收能力。通过生物信息学方法，我们找到了玉米基因组中的16个shaker家族成员。蛋白质结构域预测结果表明16个基因中有13个具有shaker家族典型的功能域。对这13个玉米shaker基因家族成员的胞质区进行了克隆，并成功构建了酵母双杂载体。酵母双杂结果表明ZmCIPK9可以与ZORK胞质区互作。我们推测ZORK是ZmCIPK9的下游膜转运蛋白，可能参与玉米钾离子信号转导。玉米ZmCIPK9的突变体与B73回交后在低钾胁迫下与野生型之间并没有明显的差异。因此ZmCIPK9可能存在基因功能冗余。本项目的研究为ZmCIPK9是如何参与植物钾离子信号转导提供分子证据，并为进一步在玉米中研究ZmCIPK9的功能奠定了一定的基础。